基于MSP430和USB的胎儿心电图仪的设计

　　1　引　言

　　随着人们生活水平的提高和围产医学的发展,社会对优生优育、母婴健康和安全的要求日益提高,对胎儿发育的生理和病理的研究成为一项重要课题。胎儿心电图(Fetal Electro Cardiogram,FECG)是反映胎儿心脏电生理活动的一项客观指标,反映了胎儿在孕期中的生长和健康状况,其作用是临床听诊和胎儿监护仪所不能取代的一种胎心观察法,在临床上有着广泛的应用和深入研究的背景[1]。目前国内生产的胎儿心电图仪所记录信号为母亲和胎儿的混合心电信号,胎儿心电信号易被母亲心电信号掩盖,不能称为真正意义上的胎儿心电图。这里在开展微弱信号处理、独立分量分析等研究的基础上,采用TI公司的MSP430系列单片机MSP430F149,结合通用串行总线(USB)技术设计此胎儿心电图仪。

　　2　胎儿心电图仪的硬件实现

　　胎儿心电图仪的系统组成如图1所示。

　　本系统是基于TI公司的MSP430F149和Philips公司的USB接口芯片PDIUSBD12构建的PC FECG系统。由心电电极采集的多路模拟信号经MSP430F149的模/数转换模块ADC12采样量化后,通过USB接口芯片PDIUSBD12发送到上位机,并由上位机完成FECG信号的处理、显示、存储等。

　　2.1　MSP430单片机

　　设计采用德州仪器公司生产的16位ALASH型单片机MSP430F149芯片。MSP430系列芯片具有超低功耗,灵活的时钟使用方式,处理能力强,灵活快速的编程方式及丰富的外设资源等特点;芯片上包含JTAG接口,可以实现在线写入,因此JTAG在线仿真调试省去了传统的昂贵的仿真器与编程器,节省了开发成本和开发时间。

　　MSP430F149芯片内包括一个12位的A/D转换器ADC12,它带有采样/保持功能的ADC内核、可控制的转换存储和参考电平发生器、可控制和选择的时钟源、可控制的采样及转换时序电路[2]。ADC12与一般的ADC相比,具有高速、通用的特点,适合于精密的数据采集和转换,能够对8个外部模拟通道和4个内部电压通道进行A/D转换,且最大采样速率为200 kS/s。

　　ADC12拥有16个保存转换结果的寄存器,可以由软件进行独立访问和配置通道以及参考电压。此外,ADC12提供4种转换模式:单通道单次转换、系列通道单次转换、单通道多次转换、多通道多次转换。

　　2.2　信号调理电路

　　整个信号调理电路由输入保护和缓冲电路,前置放大电路,高、低通滤波电路,隔离放大电路,陷波器,主放大电路,电平抬升电路等组成,如图2所示。

　　输入保护部分主要提供足够大的输入阻抗,并能防止宏电击和滤除30 kHz以上的高频干扰信号,保证心电信号(0.2~100 Hz)完全通过,而缓冲放大可减小心电信号的衰减,起到阻抗变换的作用。